基于三电极的便携式重金属离子检测仪研制与应用

高鋆函，赵 杰*，邓宇珩，袁剑英，崔国峰

（1．华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640；2．中山大学 化学学院，广东 广州 510275；3．中山大学 广东省低碳化学与过程节能重点实验室，广东 广州 510275）

重金属是指相对原子质量介于63．5～200．6 g/mol之间且原子密度≥5．0 g/cm3的金属。重金属因高毒性、生物富集性和不可降解性，对生态系统构成了严重威胁［1-2］。以铅为例，摄入过量的铅会对人体中枢神经系统［3-5］、免疫系统［6］、消化系统［7］等造成损害。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中铅离子的最大值为10．0 μg/L［8］，我国地表水环境质量标准（GB3838-2002）规定农业用水中铅离子不得高于100 μg/L［9］。

传统的重金属离子检测技术主要有原子吸收光谱（AAS）［10］、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）［11］、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）［12］、X 射线荧光光谱（XRFS）［13］和原子荧光光谱（AFS）［14］。上述技术具有良好的检测精度，但实际应用中存在操作复杂、设备昂贵等不足，通常需在现场采集样品后，由专业技术人员使用专门的设备进行实验，无法满足重金属离子的现场检测需求。电化学分析方法具有成本低、操作简单、分析速度快、灵敏度高等优点。随着半导体技术的进步，可将电化学分析技术集成在小型化的设备上［15-16］，使得电化学分析技术更易应用于重金属离子的现场检测。

近年来，国外已有不少关于重金属离子检测的自制电化学检测设备的研究。Rowe等［17］设计了名为CheapStat的手持恒电位仪，可支持循环伏安法（CV）和方波伏安法（SWV）等检测方法，并通过检测湖泊水中的砷浓度验证了方波阳极溶出伏安法（SWASV）的性能。Lopin 等［18］提出了一种芯片可编程系统（PSoC-Stat），这是一种由单个集成电路构建的恒电位仪，可在不使用其他外部电子元件的情况下进行电化学实验，并通过采用阳极溶出伏安法对水中铅离子进行了检测。Adams等［19］设计了MiniStat，将输出级、输入级、控制和通信集成在27 mm × 20 mm 的电路板上，以低成本实现了检测设备的小型化，并通过使用玻碳电极作为传感器检测了铜离子。Umar 等［20］提出HMstat 用于蜡染工业废水监测，并对Cd2+和Pb2+进行了定量检测，将结果与开源设备Rodeostat 进行对比，准确率高于95%。此外，Dryden等［21］提出了一种通用恒电位仪，尽管激励信号输出范围为0 ～ 3 V，无法满足大多数重金属离子的检测要求，但其采用16 位数字模拟转换芯片（DAC）和24 位模数转换器（ADC）后，能够实现pA 级别的电流检测，大大提高了检测分析能力。综上，大部分自研仪器在重金属离子的检测中存在检出限较高、精度较低、输出电压范围有限和无法输出双极性信号等不足。因此，本文研制了一种高精度、能够实现双极性激励信号输出以及pA 级别电流检测的便携式重金属离子检测仪，通过Type-C 线连接到笔记本电脑即可进行现场离子检测。重金属离子检测仪工作示意图如图1所示。

图1 重金属离子检测仪工作示意图Fig．1 Working diagram of heavy metal ion detector

1 重金属离子检测仪设计

重金属离子检测仪的系统结构主要包括电源管理模块（Power management unit）、主控芯片（Microcontroller unit，MCU）、激励信号发生模块（Stimulus signal unit）、模拟前端（Analog front end）以及微电流检测模块（Microcurrent detection unit）。图2展示了系统整体结构。

图2 仪器系统结构框图（A）和模拟前端电路原理示意图（B）Fig．2 Instrument system structure diagram（A） and schematic diagram of the analog front-end circuit（B）

1.1 电源管理模块

电源管理模块由低压差线性稳压器（LDO）和电压基准芯片组成，LDO 负责将USB 输出的5 V电压转换成系统需要的电压，而电压基准芯片则负责输出一个高精度的基准电压，该模块决定了整个系统的信号质量，因此芯片的选择非常重要。本仪器选用LTC3260（美国Analog Devices 公司）作为电源管理芯片，该芯片能够同时产生正负电压，并能通过调节外置电路的电阻值比来调控输出的电源电压值，根据芯片手册中的计算公式［22］，得出LTC3260的输出电压为±2．518 7 V。

系统电压基准为2．5 V，采用精度高达0．01%的电压基准芯片REF3225（美国Texas Instruments 公司），并由低噪声缓冲放大器OPA350（美国Texas Instruments公司）构成电压跟随电路以提高输出能力。

1.2 激励信号输出模块

激励信号的准确性是保证电化学实验结果正确的基础，同时，对于痕量重金属离子的检测，通过双极性激励信号实现阳极溶出伏安法是必要条件。激励信号输出模块由电压输出电路和滤波电路组成。电压输出模块主要由DAC构成，其作用是接收MCU发出的数字信号并将其转换为模拟信号，选择高分辨率的DAC 能够提高输出精度，减小量化误差。本仪器选用16 位的具有双极性输出能力（输出电压范围在-VREF～ +VREF）的数模转换器MAX5444（美国Maxim公司）。

为保证信号质量，提高输出信号精度，设置截止频率为33 kHz的二阶低通有源滤波电路来滤除高频噪声。

1.3 模拟前端电路

模拟前端是整个仪器的核心关键，该部分电路将直接决定激励信号能否按预期作用于电解池以及电化学反应产生的电流能否被及时准确地检测。如图2B所示，模拟前端由恒电位控制电路和跨阻抗放大电路构成。

1.3.1 恒电位控制电路恒电位控制电路主要有两个运算放大器组成，连接对电极（CE）的输出控制放大器U1构成反向求和电路，连接参比电极（RE）的缓冲放大器U2构成电压跟随电路。

由于U2形成了一个负反馈电路，根据“虚短”特性，VRE满足下式：VRE= -R2VSig/R1，选择R1=R2=15 kΩ，则VRE=-VSig。由于工作电极（WE）处于运放U3 的反向输入端，并构成负反馈电路，其正相输入端接地，根据“虚短”特性，WE 处的电位始终保持与地相同，约等于0 V。因此WE 相对于RE 的电位：VWR=VWE-VRE，即施加在RE 和WE 之间的激励信号为：VWR= 0 -( -VSig) =VSig。上述公式中，VRE、VWE以及VSig分别表示图2B中RE、WE以及Signal处的电压，VWR表示WE和RE之间的电压。

根据三电极体系的基本原理，电解池中反应产生的电流在CE和WE之间流过，并且不希望有电流流经RE，从而引起不必要的电压降。这就要求RE处的运算放大器U2有极高的输入阻抗以及极低的输入偏置电流。本仪器选用高精密运算放大器OPA392（美国Texas Instruments 公司）作为U2 和U1，其输入偏置电流仅有10 fA，同时具有较大的开环增益、足够低的电压噪声密度和输入偏置电压［23］。

1.3.2 跨阻抗放大电路由于大多数ADC不能直接测量电流，本仪器使用跨阻抗放大电路（TIA）将通过WE的电流信号转换成电压信号（见图2），同时通过选择指定增益将该电压信号放大相应的倍数后由ADC 读取。需要注意的是，ADC 所读取的电流为运算放大器输入偏置电流与流经WE 的被测电流相加后再乘上增益的倍数，因此，如果运算放大器的输入偏置电流较高，或当被检测的电流较小时，将会造成较大误差。本仪器选择LMP7721（美国Texas Instruments 公司）作为跨阻抗放大电路的运算放大器，即图2B 中的U3，该运算放大器具有极低的输入偏置电流，仅为3 fA［24］。同时设置了8 个档位的增益，由模拟开关ADG1408（美国Analog Devices公司）进行控制选择，不同档位适用于不同电流区间的电化学实验。

1.4 微电流采集模块

微电流采集模块的主要作用是将模拟前端检测到的电压信号经处理并转换为数字信号供MCU 读取，该模块由一个电压加法电路、一个低通滤波电路和一个ADC 组成。由于重金属离子检测时常会出现负电压，但ADC 无法采集负电压信号，因此本仪器运用电压加法电路对信号进行调节，将被测信号从-2．5 ～ +2．5 V 范围调整到0 ～ 5 V 范围，以便ADC 读取。电压加法电路的运算放大器同样选择OPA392。

ADC 的分辨率决定了整个系统对微小信号的分辨能力，为提高对微小电流的分辨能力，本仪器选用24 位模数转换器ADS1255（美国Texas Instruments 公司）。理论上，以0 ～ 5 V 的测量范围计算，该ADC最小能够分辨的电压信号为0．298 μV。

为提高信号质量，在ADC 采集信号之前设置了截止频率为35 Hz 的二阶低通滤波电路，以滤除工频信号的干扰。

2 结果与讨论

2.1 仪器与试剂

电化学工作站Gamry Reference 600+（美国Gamry 公司）；乙酸（CH3COOH）、三水合乙酸钠（CH3COONa·3H2O）、乙醇（CH3CH2OH）、氯化钾（KCl）、铁氰化钾（K3［Fe（CN）6］）和三水合亚铁氰化钾（K4［Fe（CN）6］·3H2O）购于阿拉丁公司（上海）。Pb（NO3）2购于广州西陇化工有限公司。通过溶解、稀释Pb（NO3）2制备Pb2+标准溶液。使用的电极包括Au 工作电极、Pt 对电极和Ag/AgCl 参比电极。实验用水为去离子水，经Millipore 系统进行水净化（电阻率＞18．3 MΩ·cm）；所有化学试剂均为分析纯，无需额外处理。

2.2 重金属离子检测仪的硬件性能评估

根据三电极体系的基本原理，反应电解池可等效为图3A 所示的模型，其中RS1、RS2分别为RE 与CE、WE之间的溶液电阻；RC和RW分别为RE与CE、RE与WE发生电荷转移时的感应电阻；CC和CW为吸附在CE和WE表面的离子与电介质形成的双电层电容。由于本系统适用于直流信号，因此将等效模型进一步简化，如图3B所示。后文基于图3B中的简化等效模型进行硬件测试。

图3 电解池等效阻抗模型（A）和简化模型（B）Fig．3 Electrolytic cell equivalent impedance model（A） and simplified model（B）

2.2.1 激励信号输出精度测试在-2．5 ～ +2．5 V范围内每间隔250 mV 输出一个电压值，使用万用表对输出的激励信号进行测量。每个电压值测量5次，并在每次读数后复位单片机重新输出该电压值，计算5 次读数的平均值。结果表明，实测输出电压值（VM）与理论值（VT）的线性回归方程为：

VM(V) = 0．999 98VT+ 0．000 027，相关系数（r2）=1。

为进一步研究输出电压的精度，分别进行了±20 mV、±5 mV 和±1 mV 的测试，以评估输出较低电压时的精度。结果显示，由于输出电压的绝对误差几乎保持不变，因而相对误差随着输出电压绝对值的减小而增大。尽管如此，当输出为±1 mV 时，激励信号的相对误差仍小于5%。

2.2.2 恒电位电路的稳定性测试在保证激励信号的输出精度后，进一步研究电位控制电路保持电位恒定的能力。参照图3B 的简化等效阻抗，选择RS1为1 kΩ，改变RS2的电阻值，在-2．5 ～ +2．5 V 范围内测量RE 和WE 之间的电位差是否为激励信号的输出值。每500 mV进行一次测试，结果如表1所示。

表1 RS2值不同时恒电位电路维持不同输出电压的能力Table 1 Ability of the potentiostatic circuit with different RS2 values to maintain different output voltages

由表1可知，当RS2的电阻接近RS1值，且输出电压较大时，RE和WE之间的电势差不再等于所输出的激励信号。当RE 和WE 之间存在电势差时，由于RS1的存在，CE 和WE 之间形成闭环回路，电流经过RS1形成压降，导致CE 处的电位VCE发生改变，并满足：VCE=VRW(1 +RS1/RS2)，其中VRW为RE 和WE之间的电势差。由于本设计中VCE处可能输出的最大电压为2．5 V（放大器的供电电压），则以RS2=10 kΩ为例，当输出电压为-2．498 V 时，所测得的VRW为-2．271 0 V，根据上式计算得出VCE=-2．498 1 V，该值即为所输出的电压值。

结合表1 数据，本仪器能够在大部分场景中保持良好的恒电位控制能力，且输出电压精度高，能够达到痕量重金属离子检测的要求。

2.2.3 微小电流检测的准确性根据图3B 的简化等效模型，流过工作电极处的电流（IW）满足：IW=VWR/RS2，在每次读取电流值前，使用万用表确定RS2值，并根据实际所测电阻值计算理论电流值。由表2可以看出，对于45 nA ～ 7．8 mA范围内的电流，所研发仪器能够保证良好的检测精度，实际电流与测量电流的相对误差均在0．4%以下。

表2 微小电流测试结果Table 2 Testing results of microcurrent

2.2.4 系统伏安性能测试伏安系统最关键的性能指标是能否在输入动态波形的同时精确测量电流。对图3B 的简化等效阻抗进行循环伏安扫描，理想情况下，对于一个只有电阻的模拟电路，循环伏安（CV）实验得出的I～E图像应是一条直线，其斜率的倒数为电阻的阻值。

分别使用标称值为300 kΩ 和300 MΩ 的RS2进行测试，CV 扫描范围为-2．5 ～ +2．5 V，扫描速率为100 mV/s。由图4A 和4B 可知，I～E曲线均为一条平滑直线，几乎无噪声，表明本仪器在μA 和nA 水平的检测能力良好。线性方程分别为：I300kΩ(μA) = 3．320 54E+ 0．023 38 和I300MΩ(nA) = 3．435E+0．006 49，r2分别为1和0．999 99。

图4 RS2的标称值为300 kΩ（A）和300 MΩ（B）时的循环伏安图，以及笔记本电脑使用电池供电（C）和电源供电（D）时的循环伏安图Fig．4 Cyclic voltammograms when the nominal value of RS2 is 300 kΩ（A） and 300 MΩ（B），and cyclic voltammograms of a laptop running on battery（C） and mains（D）

由线性方程得到两个电阻的阻值分别为301．155 kΩ 和291．117 MΩ，与ET4401 LCR 测量仪（East Tester公司）所得的电阻值（301．2 kΩ和291．6 MΩ）非常接近。

为进一步观察电流噪声，对300 MΩ 的电阻进行-200 ～ 200 mV 的循环伏安扫描，扫描速率为50 mV/s，该扫描区间内响应电流的数量级为百皮安级，如图4C 所示，I～E图为一条平滑直线，未见明显噪声。作为比较，将笔记本电脑插上电源后进行测量，即人为引入工频噪声，结果如图4D所示，能够观察到明显的噪声。

测试结果表明，本仪器能够在动态测量中表现出良好性能，对于百皮安数量级的电流有着优异的检测性能，人为引入工频噪声后，I～E曲线才观察到明显波动。

2.3 电化学性能测试

为评估本仪器的电化学性能，在5 mmol/L［Fe（CN）6］3-/［Fe（CN）6］4-溶液中，以100 mV/s 的扫描速率进行循环伏安实验。将检测结果与商用电化学仪器Gamry Reference 600+进行比较，如图5 所示，伏安曲线高度重合。

图5 本仪器和Gamry Reference 600+的循环伏安曲线对比Fig．5 Comparison of cyclic voltammetry curves between this device and Gamry Reference 600+

此外，分别以10 ～ 250 mV/s 的扫描速率进行循环伏安实验（见图6）。铁氰化钾的氧化峰和还原峰电流与扫描速率的平方根呈线性关系，r2分别为0．998 6和0．995 5，线性方程分别为：Ipa(μA)=16．853v1/2+23．425和Ipc(μA)=-17．149v1/2+44．609。

图6 不同扫描速率的循环伏安曲线（A）以及峰值电流与扫描速率平方根的线性关系（B）Fig．6 Cyclic voltammetry curves at different scan rates（A），and the linear relationships between the peak current and the square root of scan rate（B）

2.4 重金属离子检测

为验证仪器检测重金属离子的准确性和稳定性，对不同浓度的Pb2+进行了SWASV 测试。实验中富集电位为-1．1 V，富集时间为60 s，方波频率为30 Hz，脉冲高度为25 mV，步长为4 mV，缓冲溶液为0．1 mol/L pH 5．5 的醋酸-醋酸钠溶液，并使用Gamry Reference 600+在相同条件下进行对比实验。

2.4.1 校准曲线对比如图7A 所示，铅离子的溶出峰在-0．36 V 左右，在10 ～ 100 μg/L 范围内，随着铅离子质量浓度以10 μg/L 的步长递增，峰值电流也逐渐增大。线性方程为：Ithiswork(μA) = 0．089 05C+ 0．932 09 和IGamry(μA) = 0．088 49C+ 0．948 73，r2分别为0．998 9和0．999 1，两校准曲线（见图7B）高度重合，证明了本仪器的可靠性。

图7 Pb2+的溶出伏安曲线（A）与校准曲线比较（B）Fig．7 Stripping voltammetry curves of Pb2+（A） and the calibration curve comparison（B）

2.4.2 检出限检出限（LOD）计算采用公式：LOD = 3σ/S，其中，σ为空白组的标准差，S为拟合曲线的斜率。根据上式得出，本仪器在使用丝网印刷金电极检测铅离子时的检出限为0．295 μg/L。本文选择未经修饰的商用丝网印刷金电极作为工作电极，主要原因如下：虽然改性电极具有更好的传感性能，但制备过程繁琐，且电极间的灵敏度可能存在差异，不利于评估仪器性能。选择商用丝网印刷金电极既可保证一定的灵敏度，且不同电极间的差异较小，可避免产生不必要的误差。

2.4.3 实验重复性在上述实验环境下，对80 μg/L Pb2+进行了5 次SWASV 实验，以检验仪器的重复性（图8）。峰值电流测量的标准偏差为20．64 nA，约为待测电流的0．26%，表明所研制的重金属离子检测仪具有良好的重复性。

图8 5次重复实验的溶出伏安图（A）和峰电流高度（B）Fig．8 Stripping voltammograms of 5 repeated experiments（A） and the peak current heights（B）

3 结 论

本文基于电化学三电极体系，设计了一种小型化的重金属离子检测仪，具有高精度、性能稳定、便携和低成本等优点。硬件性能测试表明该系统至少能够精确测量数百皮安级别的电流，通过对铁氰化钾溶液进行不同扫描速率的循环伏安实验表征了系统的整体电化学性能。使用未经修饰的丝网印刷金电极对铅离子进行方波阳极溶出伏安法检测，在 10 ～ 100 μg/L 质量浓度范围内具有良好的线性关系，检出限为0．295 μg/L，远低于地表水环境质量标准（GB3838-2002）中农业用水的国家标准（100 μg/L）以及WHO 规定的饮用水标准（10．0 μg/L）。与台式电化学仪器Gamry Reference 600+进行了比较，得到几乎一致的溶出伏安曲线和校准曲线，验证了仪器的可靠性。相比于现有的电化学仪器，所研制的重金属离子检测仪在保证性能相近的前提下，兼具便携性和低成本，通过与各类丝网印刷电极结合［25］，将在水体环境中重金属离子的现场检测方面发挥作用。